光電檢測技術(shù) 哈理工 考試復(fù)習(xí)資料

一、 填空1. 光電效應(yīng)包括（內(nèi)光電效應(yīng)）（外光電效應(yīng)）2. 光熱效應(yīng)包括（熱釋電效應(yīng)）（輻射熱計效應(yīng)）（溫差電效應(yīng)）3. 可見光波長范圍（380780nm）4. 描述輻射強度的量（光度學(xué)量）（輻射度學(xué)量）5. 光的波粒二象性指的是（波動性）（粒子性）6. 物體根據(jù)導(dǎo)電性能分為（導(dǎo)體）（半導(dǎo)體）（絕緣體）7. （外界提供足夠的能量）（躍遷到的能帶上存在空位）/什么玩意發(fā)生的條件吧8. （能態(tài)的分布）（能態(tài)中被電子占據(jù)的概率）9. 半導(dǎo)體對光子的吸收可分為（本征吸收）（雜質(zhì)吸收）（激子吸收）（自由載流子吸收）（晶格吸收）（品格吸收）10. 載流子在PN結(jié)中運動方式（擴散）（漂移）11. 光電池種類 （太陽能光電池）（測量光電池）12. 光電耦合器按結(jié)構(gòu)和用途可分為（光電隔離器）（光傳感器）13. 光敏三極管的兩個過程（光電轉(zhuǎn)換）（電流放大）14. 光電倍增管的組成（陰極K）（倍增極D）（陽極A）15. 激光器的組成（工作物質(zhì)）（泵浦）（諧振腔）16. 光熱輻射檢測器件包括（熱敏電阻）（熱電偶檢測器件）（熱釋電器件）17.電流 功率18.光電檢測系統(tǒng)的檢測方法分為（直接檢測）（光外差檢測）分別檢測（相干光）和（非相干光）19.直接檢測系統(tǒng)和光外差檢測系統(tǒng)的基本特性：直接檢測系統(tǒng)（信噪比、通項帶寬度、檢測距離、視角）；光外差檢測特性（獲得信息全部、轉(zhuǎn)換增益高、良好流沒特性、信噪比損失小、最小可檢測功率）20. 光源 光敏二極管 光電池 光柵傳感器結(jié)構(gòu)：光刪副是由主光柵和指示光柵組成二、 概念1. 光電傳感器：利用光電效應(yīng)，將光通量轉(zhuǎn)換為電信號的一種傳感器2. 光電導(dǎo)效應(yīng)：是光照射到某些物體上后，引起電導(dǎo)變化的效應(yīng)3. 熱噪聲：由于載流子的無規(guī)則運動產(chǎn)生的噪聲成為，與溫度有關(guān)，與頻率無關(guān)。4. 光電效應(yīng)：當(dāng)物質(zhì)受到光照射后，材料的電學(xué)性質(zhì)（電導(dǎo)率改變，發(fā)射電子，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢）發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為5. 禁帶：允許電子存在的能帶叫允許帶，兩個相鄰允許帶之間不允許電子存在的能帶叫禁帶6. 價帶：在絕對零度下能被電子占滿的最高能帶，也是存在電子的能帶中，能量最高的帶導(dǎo)帶：導(dǎo)帶是半導(dǎo)體最外面（能量最高）的一個能帶，是由自由電子形成的能量空間，即固體結(jié)構(gòu)內(nèi)自由運動的電子所具有的能量范圍7. 光電效應(yīng)：根據(jù)光電導(dǎo)效應(yīng)，當(dāng)入射光變化時，材料的電導(dǎo)率發(fā)生變化8. 光熱效應(yīng)：由于入射光照射引起溫升從而使電導(dǎo)變化，使得負載電阻上電壓發(fā)生變化9. 熱電檢測器件：由于入射光與物質(zhì)相互作用的熱效應(yīng)而制成內(nèi)光電檢測器件10. 光電耦合器件將信號接入端和輸出端連接到一起的器件,以光為媒介將輸入信號耦合到輸出信號11. 光電位置敏感器（PSD）：對位置的變化進行檢測的器件12. 熱釋電效應(yīng)：介質(zhì)的極化強度隨溫度變化而變化，引起電荷表面電荷變化的現(xiàn)象13. 輻射熱計效應(yīng)：入射光的照射使材料由于受熱而造成電阻率變化的現(xiàn)象14. 溫差電效應(yīng)：由兩種材料制成的結(jié)點出現(xiàn)穩(wěn)差而在兩結(jié)點間產(chǎn)生電動勢，回路中產(chǎn)生電流三、 簡答1. 光電檢測的測量方法及發(fā)展趨勢（1） 方法：直接作用法，補償測量法，差動測量法，脈沖測量法（2） 發(fā)展趨勢：發(fā)展納米，亞納米高精度的光電檢測新技術(shù)發(fā)展小型，快速的微型光、電、機系統(tǒng)非接觸、快速在線測量，滿足快速增長的商品經(jīng)濟需求發(fā)展微型空間三維和大型空間三維測量技術(shù)發(fā)展閉環(huán)檢測電路，實現(xiàn)光電檢測和光電控制一體化向人們無法觸及的領(lǐng)域發(fā)展發(fā)展光電跟蹤和光電掃描技術(shù)，遠距離遙控、遙測技術(shù)，激光制導(dǎo)、飛行物自動跟蹤、復(fù)雜形體自動掃描測量2. 比較光電效應(yīng)和光熱效應(yīng)的作用機理，性能及應(yīng)用特點等方面的差異（1） 作用機理：光電效應(yīng)：光照射到物體表面，使材料電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化（電導(dǎo)率改變、發(fā)射電子、產(chǎn)生感應(yīng)電動勢）光熱效應(yīng)：光照使溫度升高而引起性質(zhì)改變（2） 性能：光電效應(yīng)直接把光子能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娮幽芰抗鉄嵝?yīng)將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裾駝拥臒崮埽?） 應(yīng)用特點：光電對光波波長有選擇性，響應(yīng)速度快光熱無選擇性，響應(yīng)慢3. 光生伏特效應(yīng)與光電導(dǎo)效應(yīng)的區(qū)別（1） 光生伏特效應(yīng)：少數(shù)載流子作用，引起電壓變化，暗電流小，響應(yīng)快，受溫度影響小，光電特性線性號，噪聲低（2）光電導(dǎo)效應(yīng)：多數(shù)載流子作用，引起電導(dǎo)率變化，可對微弱輻射檢測，光譜響應(yīng)范圍寬。4. 外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)的區(qū)別（1） 外光電效應(yīng)是指受到光照射后發(fā)射電子的現(xiàn)象（2）內(nèi)光電效應(yīng)指收到光照射后，物質(zhì)內(nèi)部的電子能量狀態(tài)改變，不發(fā)射電子5. 輻射出射度和輻射照度的區(qū)別（1） 輻射出射度：輻射體單體面的輻射通量或功率，是向外發(fā)射的輻射特性（2） 輻射照度：投射到單位面積上的輻射通量，是接受的輻射特性7.光生伏特器件有哪幾種偏置電路？各有什么特點？三種：自偏置電路：有輸出功率，但輸出電流/電壓與入射光線性不好；反向偏置：PN結(jié)勢壘區(qū)變寬；零偏置：短路電流與入射光呈線性8. 光電檢測系統(tǒng)的噪聲（如何提高信噪比）噪聲主要有三類：（1）光子噪聲包括：A.信號輻射產(chǎn)生的噪聲；B.背景輻射產(chǎn)生的噪聲。（2）探測器噪聲包括：熱噪聲；散粒噪聲；產(chǎn)生復(fù)合噪聲；1/f噪聲；溫度噪聲。（3）信號放大及處理電路噪聲在實際的光電探測器中，由于光電轉(zhuǎn)換機理不同，各種噪聲的作用大小亦各不相同。提高輸入信噪比的措施有：（1）利用信號調(diào)制及選頻技術(shù)可抑制噪聲的引入白噪聲的大小與電路的頻帶寬度成正比，因此放大器應(yīng)采用帶寬盡可能窄的選頻放大器或鎖相放大器。（2）將器件制冷，減小熱發(fā)射，降低產(chǎn)生-復(fù)合噪聲。采用半導(dǎo)體制冷、杜瓦瓶液態(tài)氣體制冷或?qū)Ｓ弥评錂C制冷。（3）采用最佳條件下的偏置電路，使信噪比（S/N）最大。9. 光電直接檢測系統(tǒng)的組成及各部分的特點光發(fā)射機:發(fā)射光信號；光學(xué)信道：光信息的傳遞；光接收機：接受光信息光源強度調(diào)制器光學(xué)天線光學(xué)信道接受天線及光電檢測器光電信號處理回收的信息10. 包絡(luò)檢測（光電直流檢測為什么又叫包絡(luò)檢測）所謂光電直接檢測是將待測光信號直接入射到光檢測器光敏面上，光檢測器響應(yīng)于光輻射強度（幅度）而輸出相應(yīng)的電流或電壓信號。式中：第一項為直流項。若光檢測器輸出端有隔直流電容，則輸出光電流只包含第二項，就是包絡(luò)檢測的意思。11. 直接檢測系統(tǒng)的量子極限當(dāng)入射信號光波所引起的散粒噪聲為主要噪聲，其他噪聲可忽略時，此時信噪比為：該式為直接檢測理論上的極限信噪比。也稱為直接檢測系統(tǒng)的量子極限。量子極限檢測為檢測的理想狀態(tài)12. 光外差檢測系統(tǒng)的量子極限：光外差檢測系統(tǒng)電路中由于系統(tǒng)噪聲的存在，使得入射光的信號變噪聲限定。13. 具有增益光電檢測器的直接測量系統(tǒng)為什么存在一個最佳倍增系數(shù)當(dāng)光檢測器存在內(nèi)增益（如：光電倍增管）時當(dāng)很大時，熱噪聲可忽略。若光電倍增管加致冷、屏蔽等措施以減小暗電流和背景噪聲，則可達到散粒噪聲極限。在直接檢測中，光電倍增管、雪崩管的檢測能力高于光電導(dǎo)器件，采用有內(nèi)增益的檢測器是直接檢測系統(tǒng)可能趨近檢測極限的唯一途徑14. 直接檢測系統(tǒng)和光外差檢測系統(tǒng)的區(qū)別直接檢測：光源：相干/非相干；原理：利用光線傳遞光信息；調(diào)制方式：光強調(diào)制、偏振調(diào)試。光外差檢測：光源：相干光；原理：利用光的振幅頻率相位傳遞；方式：利用光的振幅頻率相位調(diào)制。15. 何為莫爾條紋？應(yīng)用幾何光學(xué)原理解釋為什么說莫爾條紋測試技術(shù)具有放大作用？莫爾條紋：若兩塊光柵（其中一塊稱為主光柵，另一塊稱為指示光柵）互相重疊，并使它們的柵線之間形成一個較小的夾角，當(dāng)光柵對之間有一相對運動時，透過光柵對看另一邊的光源，就會發(fā)現(xiàn)有一組垂直于光柵運動方向的明暗相間的條紋移動，這就形成莫爾條紋。16. 試敘述激光干涉測量的基本原理第一章1.如何實現(xiàn)非電量的測量？非電量測量技術(shù)首先必須獲得非電量信息，并將非電量信息轉(zhuǎn)變成電信號，然后才能完成電測量。傳感器是完成非電量變成電信號的器件，通過傳感器的輸出信號經(jīng)測量電路進行的加工處理（如衰減，放大，調(diào)制和解調(diào)，濾波運算及數(shù)字化等）變成電信號，實現(xiàn)非電量的測量。2. 試敘述光電檢測系統(tǒng)的組成及特點。傳感器信號變換器輸出環(huán)節(jié)傳感器：從被測對象中提取被測信號，轉(zhuǎn)化成便于測量的電參數(shù)。信號變換電路：完成信號的轉(zhuǎn)換、濾波和放大。第二章1. 簡述光電效應(yīng)的工作原理。什么是暗電流？什么是亮電流？暗電流指的是在無光照時，由外電壓作用下P-N結(jié)內(nèi)流過的單向電流。光敏電阻兩端加電壓（直流或交流）。無光照時，阻值很大，電流（暗電流）很??；光照時，光生載流子迅速增加，阻值急劇減少，在外場作用下，光生載流子沿一定方向運動，形成亮電流。2. 簡述光生伏特效應(yīng)的工作原理。為什么光伏效應(yīng)器件比光電導(dǎo)效應(yīng)器件有更快的響應(yīng)速度？答：（1）光生伏特效應(yīng)的工作基礎(chǔ)是內(nèi)光電效應(yīng).當(dāng)用適當(dāng)波長的光照射PN結(jié)時，由于內(nèi)建場的作用（不加外電場），光生電子拉向n區(qū)，光生空穴拉向p區(qū)，相當(dāng)于PN結(jié)上加一個正電壓。（2）光伏效應(yīng)中，與光照相聯(lián)系的是少數(shù)載流子的行為，因為少數(shù)載流子的壽命通常很短，所以以光伏效應(yīng)為基礎(chǔ)的檢測器件比以光電導(dǎo)效應(yīng)為基礎(chǔ)的檢測器件有更快的響應(yīng)速度。3. 簡述光熱效應(yīng)工作原理。熱電檢測器件有哪些特點？某些物質(zhì)在受到光照射后，由于溫度變化而造成材料性質(zhì)發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光熱效應(yīng)。特點：（1）響應(yīng)波長無選擇性。（2）響應(yīng)慢。第三章6. 硅光電池的開路電壓為什么隨著溫度的升高而下降？影響光電倍增管工作的環(huán)境因素有哪些？如何減少這些因素的影響？答：溫度升高時，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性將發(fā)生一定的變化，即少數(shù)載流子濃度隨著溫度的升高而指數(shù)式增大，相對來說多數(shù)載流子所占據(jù)的比例即越來越小，這就使得多數(shù)載流子往對方擴散的作用減弱，從而起阻擋作用的p-n結(jié)勢壘高度也就降低。從Fermi能級的變化上來理解：溫度越高，半導(dǎo)體Fermi能級就越靠近禁帶中央（即趨于本征化），則兩邊半導(dǎo)體的Fermi能級之差也就越小，所以p-n結(jié)勢壘高度也就越低，也就是開壓降低。光電倍增管的響應(yīng)度受多方面的因素影響，比如：偏置電壓的高低、環(huán)境光和溫度變化等多方面因素的影響。無光時光電倍增管對光的響應(yīng)度更趨于平穩(wěn)，使實驗數(shù)據(jù)也更具有可靠性。因此，無光環(huán)境是決定光電倍增管對微弱光信號的檢測能力的重要因素之一。光電倍增管工作時由于陰極材料發(fā)熱，這樣對光電倍增管的響應(yīng)度產(chǎn)生較大的影響，因此不穩(wěn)定的工作溫度對光電倍增管的響應(yīng)度也會帶來不同程度的影響。降低光電倍增管的使用環(huán)境溫度可以減少熱電子發(fā)射,從而降低暗電流。另外,光電倍增管的靈敏度也會受到溫度的影響。8. 簡述發(fā)光二極管的發(fā)光原理及半導(dǎo)體激光器的工作原理。答：它們的結(jié)構(gòu)簡單說就是三明治的夾心結(jié)構(gòu)，中間的夾心是有源區(qū)。二者的結(jié)構(gòu)上是相似的，但是LED沒有諧振腔，LD有諧振腔。LD工作原理是基于受激輻射、LED是基于自發(fā)輻射。LD發(fā)射功率較高、光譜較窄、直接調(diào)制帶寬較寬，而LED發(fā)射功率較小、光譜較寬、直接調(diào)制帶寬較窄。9. 試判別下列結(jié)論，正確的在括號里填寫T，錯誤的則填寫F:（1）光電導(dǎo)器件在方波輻射的作用下，其上升時間大于下降時間。（F）（2）光敏電阻的阻值與環(huán)境溫度有關(guān)，溫度升高時光敏電阻的阻值也隨之升高。（T）（3）光敏電阻的是由于被光照后所產(chǎn)生的光生電子與空穴的復(fù)合需要很長時間，而且，隨著復(fù)合的進行，光生電子與空穴的濃度與復(fù)合幾率不斷減小，使得光敏電阻恢復(fù)被照前的阻值需要很長時間。（T）10.簡述光電耦合器件的工作原理？光電偶合器件（簡稱光耦）是把發(fā)光器件（如發(fā)光二極體）和光敏器件（如光敏三極管）組裝在一起，通過光線實現(xiàn)耦合構(gòu)成電光和光電的轉(zhuǎn)換器件。22. 發(fā)光二極管的發(fā)光光譜由哪些因素決定？光譜的半寬度有何意義？發(fā)光二極管的發(fā)光光譜由材料的種類、性質(zhì)及發(fā)光中心的結(jié)構(gòu)決定，而與器件的幾何形狀和封裝方式無關(guān)。無論什么材料制成的LED，都有一個相對光強度最強處（光輸出最大），與之相對應(yīng)有一個波長，此波長即為峰值波長P。在LED譜線的峰值兩側(cè)±處，存在兩個光強等于峰值一半的點，分別對應(yīng)P-D，P+它們之間的寬度即為半譜線寬度，也稱半功率寬度，它是一個反映LED單色性的參數(shù)。半寬度越小，則發(fā)光光譜單色性越好，發(fā)光功率集中于半譜線寬度內(nèi)。25.為什么需要將發(fā)光二極管與光電二極管封裝在一起構(gòu)成光電耦合器件？光電耦合器件的主要特性有哪些？答：將發(fā)光器件與光電接收器件組合成一體，制成的具有信號傳輸功能的器件，即為光電耦合器件。由于光電耦合器件的發(fā)送端與接收端是電、磁絕緣的，只有光信息相連。同時，它在信號傳輸速度、體積、抗干擾性等方面都具有傳統(tǒng)器件所無法比擬的優(yōu)勢。因此，在實際應(yīng)用中它具有許多優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動檢測、自動控制、電信號的傳輸和處理及計算機系統(tǒng)等方面。光電耦合器件的主要特性有：（1）具有電隔離的功能；（2）信號傳輸具有單向性；（3）具有抗電磁干擾和噪聲的能力；（4）響應(yīng)速度快；（5）實用性強；（6）既具有耦合特性又具有隔離特性。32. 熱輻射檢測器通常分為哪兩個階段？哪個階段能夠產(chǎn)生熱電效應(yīng)？第一階段：器件吸收光輻射能量而使自身溫度發(fā)生變化.第二階段：器件依賴某種溫度敏感特性把輻射引起的溫度變化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號，而達到光輻射探測目的.第二階段能夠產(chǎn)生熱電效應(yīng).第四章6. 簡述前置放大器噪聲系數(shù)達到最小值的條件。由=故前置放大器噪聲系數(shù)達到最小值的條件是源電阻等于放大器噪聲電壓與噪聲電流的比值時，即。第五章9.比較脈沖激光測距和相位測距的技術(shù)特點。脈沖激光測距：由激光器對被測目標(biāo)發(fā)射一個光脈沖，然后接收目標(biāo)反射回來的光脈沖，通過測量光脈沖往返所經(jīng)過的時間來算出目標(biāo)的距離。相位測距：通過測量從測距儀器發(fā)出的連續(xù)調(diào)制光在待測距離上往返所產(chǎn)生的相位移來計算待測距離。第六章1.試從工作原理和系統(tǒng)性能兩個方面比較直接檢測系統(tǒng)和光外差檢測系統(tǒng)的特點。答:工作原理上：直接探測系統(tǒng)是將攜帶有待測量的光信號直接入射到探測器光敏面上，光探測器響應(yīng)的是光輻射強度而輸出相應(yīng)的電流和電壓；光外差檢測是利用兩束頻率不同的相干光在滿足波前匹配條件下，在光電探測器上進行光學(xué)混頻，探測器輸出的信號是兩光波頻差的拍頻信號，該信號包含有調(diào)制信號的振幅、頻率和相位特征。系統(tǒng)性能上：直接探測系統(tǒng)檢測方法簡單，易于實現(xiàn)，可靠性高，但是不能改善輸入信噪比，不適宜檢測微弱信號；光外差檢測系統(tǒng)復(fù)雜，對光外差兩輸入信號有嚴格的空間條件和頻率條件，但檢測距離遠，檢測精度高，靈敏度高，是天然檢測微弱信號的方法。2. 有一光子探測器運用于相干探測。假設(shè)入射到光混頻器上的本振光功率PL=10mW，光混頻器的量子效率=0.5，入射的信號光波長=1m，負載電阻RL=50，試求該光外差探測系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換增益=?解：=4.02×5. 試述激光干涉測長的基本原理。如圖所示是雙縱模雙頻激光干涉儀的原理示意圖7.試述多普勒測速原理。當(dāng)光（激光）照射運動物體或流體時，其反射光或散射光將產(chǎn)生多普勒頻移，用它（即反射光或散射光）與本振光進行混頻可測得物體或流體的速度。第七章1. 用射線理論簡述光纖的導(dǎo)波工作原理。 NA定義為光纖的“數(shù)值孔徑”，為衡量光纖集光性能的主要參數(shù)。在光纖端面，只有入射角小于的光才能在光纖中傳輸。2. 試述傳光型和功能型光纖傳感器的基本含義。功能型傳感器（即FF型光纖傳感器、傳感型光纖傳感器。）：是利用光纖本身的特性，把光纖作為敏感元件，即光纖與被測對象相互作用，使得光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化，使其傳光特性發(fā)生相關(guān)變化。非功能型傳感器（即NF型光纖傳感器、傳光型光纖傳感器）：是利用其他敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為光的傳輸介質(zhì)。3.什么是單模光纖？成為單模光纖的基本條件是什么？單模光纖只能傳輸一種模式，纖芯直徑僅幾個微米，接近波長。單模光纖的優(yōu)點是沒有模式散射，可利用波導(dǎo)色散抵消材料色散，以得到零色散。同時，信息容量極大，可進行理論預(yù)測，可利用光的相位等。但缺點是，芯徑很小，因而使用不便。4.舉例說明光纖中光波的各種調(diào)制技術(shù)。光調(diào)制分為：強度調(diào)制、相位調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制和光譜調(diào)制等。